紫外线指数测试系统

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3.0 陈辉 2024-11-20 11 4 1.5MB 70 页 15积分

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摘要

近年来，随着光学研究的深入发展，人类对可见光和红外等波段的认识已经

取得了长足的进步，各种红外研究成果也已经应用到我们生活中。相比之下，人

们对太阳紫外辐射对地球上整个生物圈影响的认识还处在初级阶段。然而，紫外

辐射可以应用到各种不同的领域，如工业、农业、医学、军事、航空、航天等。

紫外辐射也给人类生存带来许多问题，包括：环境问题，臭氧层破坏问题，全球

气候变暖问题，地球生物的变异等。紫外辐射广阔的应用价值为深入开展紫外光

学的研究提供了动力和契机。紫外光学将会继红外光学之后成为一个新的研究热

点。

紫外线指数预报作为紫外光学研究的一项应用在我国已经有了一定的发展。

但是很多国产的紫外线指数测试系统大多采用紫外增强型硅光探测器或者普通紫

外传感器件加紫外滤光片结构，不但精度低，灵敏度差，关键是不能与世界卫生

组织用于计算紫外线指数的 “红斑作用光谱曲线” 很好地吻合。而使用 AlxGa1-xN

材料，通过调节铝的含量，所制成的肖特基紫外探测器的绝对光谱响应曲线可以

与“红斑作用光谱曲线” 非常吻合。本课题所设计的紫外线指数测试系统正是采

用这种基于肖特基紫外探测器件，因此，无需另加滤光片就可取得精确的测量结

果。

本课题在搜集大量国内外相关资料，并进行了大量调研工作后，才确定设计

方案。本文先对紫外线指数理论进行比较详细的阐述，然后对系统设计过程进行

说明，包括：紫外线指数测试系统头部设计和主机设计两部分。对该系统余弦特

性的测试平台设计和测试数据计算也进行了详细的阐述，最后提出了该系统设计

进一步改善的几点建议。

本课题是上海市科学技术委员会 2004 年光科技重点科研项目——“新型紫外

探测器件及其精确光学定标研究”的一部分。

关键词：肖特基紫外线指数红斑作用光谱曲线余弦特性

ABSTRACT

As the development of research on optics, we have known much more about

visible light and infrared, and the related applications are penetrating into our daily life.

Meanwhile, the influence from ultraviolet to the whole ecosphere is little known to

human beings. In spite of the wide application of UV to various field, for instance,

industry, agriculture, iatrology, military, aviation and space, it also arises sorts of severe

problems such as environment, ozonosphere demolishment, climate warm up, biological

variation, etc. consequently, the capacious applications of UV radiation provide UV

research a brand new horizons. Research on UV optics will be a fresh hot point after the

infrared research.

UV index forecasting, as an application of UV research, is developing in china

these days. However, homemade UV Index testing systems, using UV-enhanced silicon

detector or common UV sensor with UV filers as detectors, can’t accord with the

Erythema Action Spectrum Curve properly issued by world health organization (WHO).

Besides these systems have low precision and sensitivity. As Schottky Ultraviolet

devices using AlxGa1-xN could inosculate with the Erythema Action Spectrum Curve,

when the aluminum content was adjusted, it’s certainly easy for us to obtain more

precise data without adding light filters. This paper is mainly focused on the UV index

testing system using Schottky ultraviolet sensor.

After searching for various related information, the scheme for the design is finally

confirmed. This paper will begin with the basic theory of ultraviolet, than focus a lot on

the designing process, which embraces mainly two parts, the head part designing and

the main body part designing. The testing of cosine characteristics of the whole system

and also the testing method will be presented at the very end of this paper. The author

also gives her personal suggestion on how to improve the system.

This paper is an important part of “Research on new Ultraviolet detectors and its

precise calibration”, which belongs to top Optical Technology research projects of

Committee of Shanghai for Science and Technology in 2004.

Key Word: Schottky, Ultraviolet Index, Erythema Action Spectrum

Curve, Cosine Characteristics

摘要

Abstract

第一章绪论.....................................................................................................................1

§1.1 辐射测量的历史................................................................................................1

§1.2 紫外线指数预报的现状....................................................................................2

§1.3 紫外线指数测量的意义....................................................................................3

§1.4 本文所研究的问题............................................................................................4

§1.5 课题来源............................................................................................................4

第二章紫外线指数简介.................................................................................................6

§2.1 太阳辐射............................................................................................................6

§2.2 紫外辐射............................................................................................................7

§2.2.1 紫外辐射的分类：................................................................................... 7

§2.2.2 影响紫外辐射的因子............................................................................... 8

§2.2.3 紫外辐射对地球生物的影响................................................................... 9

§2.3 紫外线指数......................................................................................................10

§2.3.1 紫外线指数的定义................................................................................. 10

§2.3.2 红斑作用光谱曲线................................................................................ 11

§2.3.3 紫外线指数的计算................................................................................. 11

第三章紫外线指数定标简介.......................................................................................13

§3.1 紫外线指数的校验标准及追溯体系.............................................................13

§3.2 紫外线指数参考标准的建立流程.................................................................13

§3.2.1 辐射仪器的校验.................................................................................... 14

§3.2.2 检验仪器对于太阳天顶角改变的反应................................................ 14

§3.2.3 仪器狭缝函数（slit function）的确定 ................................................. 14

§3.3 紫外线指数工作标准的建立流程.................................................................15

§3.3.1 功能检定................................................................................................ 15

§ 3.3.1.1 余弦反应与方位角反应的测量 ................................................... 15

§ 3.3.1.2 光谱反应函数（SRF,spectral responsivity function）的检测 .....15

§3.3.2 校正系数的确定.................................................................................... 16

第四章紫外线指数测试系统设计...............................................................................18

§4.1 紫外线指数测试系统框图及实物..................................................................18

§4.2 紫外线指数测试系统工作原理......................................................................20

§4.3 氮化镓紫外线指数测试系统的特点.............................................................20

§4.4 氮化镓肖特基紫外探测器简介.....................................................................21

§4.5 肖特基（Schottky）器件的光谱响应曲线 .................................................. 23

§4.6 系统主要电子元件的选择..............................................................................24

§4.6.1 运算放大器 OPA111 .............................................................................. 24

§4.6.2 集成温度传感器 AD590 ........................................................................26

§4.6.3 模数转换芯片 MAX154 ........................................................................ 27

§4.6.4 高速单片机 DS87C520 .........................................................................29

§4.7 系统主要功能模块设计..................................................................................32

§4.7.1 紫外信号放大模块................................................................................. 32

§4.7.2 温度信号放大模块................................................................................ 36

§4.7.3 系统主机模块........................................................................................ 38

§4.7.4 系统软件模块........................................................................................ 39

第五章紫外线指数测试系统余弦特性测试与分析...................................................44

§5.1 光度学和辐射度学中的余弦定理.................................................................44

§5.2 聚四氟乙烯漫反射板.....................................................................................46

§5.2.1 漫反射简介............................................................................................. 46

§5.2.2 聚四氟乙烯反射率分布......................................................................... 48

§5.3 余弦特性测试及余弦特性方向性误差..........................................................50

§5.3.1 检定规程的要求.................................................................................... 50

§5.3.2 余弦特性测试........................................................................................ 51

§5.3.3 余弦特性误差计算................................................................................ 57

第六章结束语...............................................................................................................61

§6.1 论文小结.........................................................................................................61

§6.2 对今后研究的建议.........................................................................................62

参考文献.........................................................................................................................62

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................65

致谢.............................................................................................................................66

第一章绪论

§1.1 辐射测量的历史

辐射度学是一门研究电磁辐射能测量的科学[1]。电磁辐射是一种物理现象，是

指“能量以电磁波形式由源发射到空间的现象”。电磁环境是“存在于给定场所的

所有电磁现象的总和”。电磁辐射源有两大类：一是自然界电磁辐射源，来自某些

自然现象，如雷电、台风、太阳的黑子活动与黑体辐射等。二是人工型电磁辐射

源。人工型电磁辐射源、来自人工制造的若干系统或装置与设备，其中又分放电

型电磁辐射源、射频电磁辐射源及工频电磁辐射源。

光学谱段一般是指包括从波长为0.1nm左右的X射线到约为0.1cm的极远红外

的范围（如辐射图所示）。波长小于0.1nm是γ射线，波长大于0.1cm则属于微波

和无线电波。光学谱段内，可按照波长分为X射线、远紫外、近紫外、可见光、近

红外、短波红外、中波红外、长波红外和远红外。可见光谱段，即辐射能对人眼

产生目视刺激而形成光亮感和色感的谱段，一般是指波长为0.38-0.76μm。

辐射图

辐射度学和光度学作为一门科学来研究，可以认为是从18世纪中期研究光辐

射的目视效应开始的[2]。法国的鲍吉尔（Bouguer）在1927年提出了光度学的概念，

并为光度学的实践提供了基础。1760年朗伯（Lambert）提出了光度学的基本定律，

如照明的可加性定律，照度的平方反比定律，余弦定律等。赫谢尔（Hershel）在

1800年测量太阳光通过棱镜色散在不同光谱位置上目视赫液体升温的效应而发现

了红外辐射，次年李特（Ritter）发现了紫外辐射。这样辐射度学的研究领域也逐

步扩大了。

19世纪出现了第一个用于测量辐射的热电偶。随后，黑体的概念由基尔霍夫

（Kirchhoff）和斯蒂瓦特（Stewart）分别提出。1900普朗克（Planck）导出了描述

黑体辐射能量和光谱分布的物理定律。1893年，安格斯特鲁(Angstrom)制作了世界

紫外线指数测试系统

上第一台标准探测计－电标定辐射热计。1914年，白炽灯作为了辐照度标准灯。

20世纪初，辐射度学和光度学在许多科学研究领域，如分子物理、光谱化学分析、

视觉、照明等，得到了广泛的应用，并从物理学中分支出来。20世纪中期，光电

探测器已经开始应用到光辐射探测器中。

20世纪中后期，辐射度测量精度得到了大幅度的提高，出现了低温辐射计、

陷阱探测器和许多高精度的工作基准装置，大大提高了辐射测量的水平。

我国的光辐射计量也取得了显著的成绩。国家计量部门能够复现国际光度基

本量－candela（坎德拉），并建立起了光通量、光强度、照度等一系列标准[3]。光

谱辐射度、光谱幅亮度的标准以及色度等标准都已建立起来。为了适应激光功率

的测量需求，也建立起一套从纳瓦级到万瓦级的激光功率测量系统。其中不少基

准、标准和测量手段已达到或接近国际水平。我国的计量标准还定期与国际上主

要光辐射计量部门进行比对。所有这一切，对推动我国光辐射计量的标准化，提

高计量的精确性以及计量对科学研究、生产的监督等都起到越来越大的作用。

§1.2 紫外线指数预报的现状

臭氧洞和全球气候变暖是本世纪人类面临的两大环境危机，关系着全人类文

明的延续和毁灭。这两大环境危机，也为人类开启了全新的环境史观。从侧重环

境污染问题的解决到鉴定国际公约禁止氟氯碳化物使用，限制温室气体排放总量

等，现实环境问题全球化的趋势没有任何个人、地区或国家可以置身事外。1974

年美国学者罗兰德提出：大气层的臭氧（O3）量正在减少。臭氧量的减少越来越

受到关注。1984年有关专家首次在南极上空发现了臭氧层空洞，美国的云雨7号卫

星证实了这个事实。之后北极上空也发现了范围较小的臭氧层空洞。平流层臭氧

量减少、臭氧层的破坏使得到达地面的紫外线辐射量（UV）增多，其中UV-B

（280-315nm）波段增加更多。UV-B辐射增加将会对人体健康产生很大影响。自

从发现平流层臭氧空洞和臭氧层被破坏的事实后，国际上越来越重视对到达地面

的紫外线辐射量变化的监测、研究和预报。

作为世界上紫外线指数预报第一个国家的加拿大，加拿大气象局将紫外线指

数分为1～10级，日光暴露类别分为低、适度、高、极高。在阳光下曝晒时间各自

不能超过大约20分钟、

30分钟和1小时。紫外线指数越大，人体照射的紫外线越多，

紫外线对人体的伤害也越大[4][5]。

美国环保署（EPA）和美国国家公园服务局（NPS）建立了十四个国家公园紫

外辐射监测站，用Brewer光谱光度计，实时监测太阳的紫外线辐射。这十四个紫

外辐射监测站与公园研究-生态监测网（PRIME Net）相连接，测量紫外线辐射。

此外，又附加建立了七个城区紫外辐射监测站。由这二十一个紫外辐射监测站，

第一章绪论

组成了全世界最大的紫外线辐射光谱监测网（Spectral-UV monitoring network）。

为了发展AlGaN基光电探测器，欧盟环境气候署从1999年开始的ALDUV计划

已经完成，现已成功地研制了和红斑作用光谱曲线响应一致的肖特基紫外器件，

和其他半导体器件相比，这种器件无需滤光片的辅助即可进行紫外探测，为商业

应用提供了相当理想的解决方案。同时，基于AlGaN基紫外探测器的紫外监测系统

也已投入使用。

日本气象协会借鉴欧美国家紫外线指数预报的经验，将持续大约 10 年的紫外

线总量预报转换成涉及人体健康的紫外线量预报。气象协会开发了基于臭氧的累

计多年常年值、天气、标高、太阳天顶角（SZA）、国际照明委员会（CIE）作用

函数，开发了可计算紫外线量的半物理模式，在日本全国大约 900 个地点，预报

每小时的紫外线量[6]。

就我国而言，紫外线问题长久以来并未受到应有的重视。直到80年代后期，

才慢慢开始有所涉及。紫外线的预报工作首先在沿海发达地区发展起来了。我国

紫外线指数气象预报虽然有自己的统一标准（参照1994年美国的标准），各省、市

发布的紫外线辐射指数均按照中国气象局统一的规范，但是，紫外线指数的计算

方法不统一，同时也没有考虑紫外线对人体皮肤的损害（红斑作用光谱），这与国

际上新紫外线指数计算、发布和报告存在着差距，无法与国际接轨。因此，中国

作为世界气象组织一员，有义务按照世界卫生组织及联合国环境计划署制订的新

全球紫外线指数进行发布预报和报告。据调研，中国气象局已将全国性的紫外线

指数监测列入工作日程，正在准备推行全国性的紫外线指数监测。然而，目前我

国紫外线指数测试系统，仅有少量的试制，采用的是硅光电探测器件。硅光电器

件的光谱响应峰值处于可见光谱区，即使是紫外增强型硅光电器件，其短波紫外

的灵敏度仍很低。为使仪器的响应光谱与世界卫生组织（WHO）所确定的红斑作

用光谱曲线相匹配，还必需附加应用多层滤光片，难以得到理想的结果[7] [8] [9]。

§1.3 紫外线指数测量的意义

近年来，由于平流层臭氧遭到日趋严重的破坏，地面接收的紫外线辐射量增

多，引起人们广泛的关注。为此，世界各国的环境科学家都提醒人们应该十分注

意紫外线辐射对人体的危害并采取必要的预防措施。当皮肤受到紫外线的照射时，

人体表皮层中的黑色素细胞开始产生黑色素来吸收紫外线，以防止皮肤受到伤害。

长时间的紫外线照射会引起大量黑色素沉积在表皮层中，成为永久性的“晒黑”

痕迹。

人们现在都已经普遍地认识到，过多地遭受紫外线辐射后容易引起皮肤癌和

白内障。有资料报道，皮肤癌的发生率，在澳大利亚是 10 万人中有 800 人；在美

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摘要近年来，随着光学研究的深入发展，人类对可见光和红外等波段的认识已经取得了长足的进步，各种红外研究成果也已经应用到我们生活中。相比之下，人们对太阳紫外辐射对地球上整个生物圈影响的认识还处在初级阶段。然而，紫外辐射可以应用到各种不同的领域，如工业、农业、医学、军事、航空、航天等。紫外辐射也给人类生存带来许多问题，包括：环境问题，臭氧层破坏问题，全球气候变暖问题，地球生物的变异等。紫外辐射广阔的应用价值为深入开展紫外光学的研究提供了动力和契机。紫外光学将会继红外光学之后成为一个新的研究热点。紫外线指数预报作为紫外光学研究的一项应用在我国已经有了一定的发展。但是很多国产的紫外线指数测试系统大多采用...

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